CN103819083A - 一种光纤母材延伸的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤母材延伸的控制方法，对于处于延伸过程中的光纤母材的锥体部的特定位置，由第一测径仪测定所述特定位置处的实际外径值R2，依据由所述特定位置处的外径基准值R1及所述实际外径值R2得出的值（R2/R1-1），通过PID控制器控制所述第二夹具的移动速度V2，所述外径基准值R1依据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定，保证了计算得到的外径基准值R1符合延伸锥体外径变化时所需的设定经，实现高精度控制延伸。

Description

一种光纤母材延伸的控制方法及装置

技术领域

本申请涉及光纤制造技术领域，特别是涉及一种光纤母材延伸的控制方法及装置。

背景技术

对光纤母材的延伸加工，通常是利用加热组件对原始的光纤母材进行加热软化处理，进而拉伸至所需要的外径。

目前，将光纤母材延伸至所需外径的方法通常使用如下方法：利用电阻加热炉等加热装置对光纤母材进行加热，将光纤母材顺序软化，同时施加延伸应力，一边测量延伸后的延伸外径一边改变所施加的延伸应力，使测量的延伸外径与设定外径一致，并控制夹持光纤母材上端和下端的夹具的移动速度。

申请号为98809485.1的专利文献记载了一种玻璃母材的延伸方法，利用电炉加热玻璃棒体，对于延伸过程中的玻璃母材的锥体部的特定位置的外径设定基准值R1，利用测径仪测定上述特定位置的实际的外径并取得实测值R2，根据由上述基准值R1及上述实测值R2得出的值（R2/R1）控制夹持棒体两端夹具的移动速度。但在玻璃棒体的延伸过程中，由于玻璃母材的原始外径、目标外径、延伸温度等条件的不同会引起延伸锥体部分的形状不同，出现位于测径仪位置的锥体外径有波动，使得测径仪之后的部分锥体不能得到合理充分的延伸，使得延伸后的玻璃棒体的外径偏大或偏小，降低了玻璃母材的延伸精度。

因此，如何提高光纤母材的延伸精度，使延伸后的光纤母材外径达到预设尺寸成为亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种光纤母材延伸的控制方法及装置，以解决光纤母材延伸精度低的问题。

技术方案如下：

一种光纤母材延伸的控制方法，包括：由第一夹具和第二夹具夹持光纤母材的两端，由加热部件加热软化光纤母材，当加热温度达到第一预设温度时，第二夹具夹紧所述光纤母材的下辅助尾棒，并在加热温度达到第二预设温度时，控制所述第一夹具和第二夹具沿光纤母材的长度方向移动，其中，第一夹具的速度比第二夹具的速度慢，对于处于延伸过程中的光纤母材的锥体部的特定位置，由第一测径仪测定所述特定位置处的实际外径值R2，依据由所述特定位置处的外径基准值R1及所述实际外径值R2得出的值（R2/R1-1），通过PID控制器控制所述第二夹具的移动速度V2，所述外径基准值R1依据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定。

上述方法，优选的，所述外径基准值R1依据如下公式确定：

R1=K1*R0²+K2*R3²+K3

其中，K1、K2、K3为预设的系数。

上述方法，优选的，所述锥体部的特定位置为所述锥体部的实际外径R2比所述延伸目标外径R3大1mm~4mm的位置。

上述方法，优选的，所述第一预设温度控制在1600℃~1700℃。

上述方法，优选的，所述第一预设温度为1600℃。

上述方法，优选的，所述第二预设温度控制在1900℃~2200℃。

上述方法，优选的，所述第二预设温度为2000℃。

上述方法，优选的，在对所述光纤母材进行加热软化之前还包括：

预先对待延伸光纤母材进行扫描，得到所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径。

上述方法，优选的，依据下述方法确定所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0：

依据所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径，所述第一夹具与所述加热部件的相对位置，以及所述第一夹具的移动距离确定所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0。

上述方法，优选内的，所述第一夹具与所述加热部件的相对位置，以及所述第一夹具的移动距离通过如下方法确定：

以所述加热部件的加热温度曲线中的最高加热温度所对应的位置为原点，所述第一夹具上升的方向为正方向，构成一个纵向的长度坐标轴，所述第一夹具在长度坐标轴上的坐标值为所述第一夹具与所述加热部件的相对位置，所述第一夹具的移动距离为所述第一夹具移动前后两个坐标值之差。

上述方法，优选的，所述PID控制器依据下式控制所述第二夹具的移动速度V2：

$V2={(R0/R3)}^2*V1+K_P*E\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

其中，V1为所述第一夹具的移动速度；E（t）为当前时刻锥体特定位置的实际外径值R2和外径基准值R1的计算值（R2/R1-1）；K_P、T_I、T_D为预设的PID控制系数。

一种光纤母材延伸装置，包括：第一夹具、第二夹具、加热部件、第一测径仪，所述第一夹具用于夹持光纤母材的上辅助尾棒；所述第二夹具用于夹持所述光纤母材的下辅助尾棒；所述加热部件用于对所述光纤母材进行加热软化；所述第一测径仪用于测量处于延伸过程中的光纤母材的锥体部的特定位置的实际外径值R2，还包括：PID控制器，所述PID控制器用于依据由所述特定位置处的外径基准值R1及所述实际外径值R2得出的值（R2/R1-1）控制所述第二夹具的移动速度，所述外径基准值R1依据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定。

上述装置，优选的，还包括：

第二测径仪，用于对待延伸光纤母材进行扫描，得到所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径。

应用本申请实施例提供的一种光纤母材延伸的控制方法及装置，根据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3设定光纤母材的锥体部的特定位置的处的外径基准值R1，消除了由于原始外径、目标外径、延伸温度等条件的不同引起的延伸锥体部分的形状不同，而出现位于测径仪测径位置的锥体外径有波动进而导致锥体特定位置以下部分光纤母材得不到充分的延伸的缺陷，使得延伸后的光纤母材的外径达到预设尺寸，提高了玻璃母材的延伸精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种光纤母材延伸装置的侧视图。

为了图示的简单和清楚，以上附图示出了结构的普通形式，并且为了避免不必要的模糊本发明，可以省略已知特征和技术的描述和细节。另外，附图中的单元不必要按照比例绘制。例如，可以相对于其他单元放大图中的一些单元的尺寸，从而帮助更好的理解本发明的实施例。不同附图中的相同标号表示相同的单元。

说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等（如果存在）是用于区别类似的单元，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示的或否则描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可以包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案。下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供的一种光纤母材延伸装置的侧视图如图1所示，包括：PID控制器（即：比例-积分-微分控制器）1，第一夹具2，第二夹具3，加热部件4，第二测径仪5，第一测径仪6，第一步进电机10和第二步进电机11；

其中，第一夹具2与第一步进电机10连接，第二夹具3与第二步进电机11连接；第一步进电机10和第二步进电机11与PID控制器1相连接，根据来自PID控制器1的信号改变第一夹具2及第二夹具3的移动速度；

PID控制器1用于依据由光纤母材椎体部特定位置处的外径基准值R1及所述光纤母材椎体部特定位置处的实际外径值R2得出的值（R2/R1-1）控制所述第二夹具3的移动速度，其中，所述外径基准值R1依据当前时刻位于所述加热部件4内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定；

PID控制器1还用于控制第二测径仪6上下移动，以使第二测径仪6位于光纤母材锥体部的特定位置，优选的，所述锥体部的特定位置可以为所述锥体部的实际外径R2比所述延伸目标外径R3大1mm~4mm的位置，例如，假设延伸的目标外径R3=40mm，那么，在延伸过程中，可以通过上下移动第二测径仪6，确定第二测径仪6测得的外径值分别为41mm和44mm的两个位置，这两个位置点之间的任何一个位置都可以作为本申请实施例中锥体部的特定位置。

加热部件4对穿过其内部的待延伸光纤母材7a进行加热软化；

第一测径仪6用于测量锥体部特定位置的外径；

第二测径仪5用于对待延伸光纤母材7a进行扫描，得到所述待延伸光纤母材7a各个位置的原始外径；

图1还示出了处于延伸状态的光纤母材的状态示意图；

待延伸光纤母材7a在加热部件4内形成锥体部7b，在锥体部7b下方形成延伸体7c，即已延伸的光纤母材。也就是说，光纤母材在延伸前为7a的状态，延伸开始时形成锥体部7b，在其下方形成延伸体7c。

待延伸光纤母材7a在上端固定连接有供第一夹具2夹持的上辅助尾棒8，已延伸的光纤母材7c在下端固定连接有供第二夹具3夹持的下辅助尾棒9；

在对光纤母材延伸过程中，PID控制器1依据当前时刻位于所述加热部件4内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定光纤母材锥体部7b特定位置处的外径基准值R1，优选的，可通过公式（1）来确定所述外径基准值R1，

R1=K1*R0²+K2*R3²+K3（1）

其中，K1∈[0,1]、K2∈[0,1]、K3∈[0,R1]为预设的系数，具体取值可根据实际情况或延伸经验设定；R0为当前时刻位于所述加热部件4内光纤母材的原始外径；R3为光纤母材的延伸目标外径；

PID控制器1可通过公式（2）控制所述第二夹具3的移动速度（也称为延伸速度）：

$V2={(R0/R3)}^2*V1+K_P*E\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

其中，V2为第二夹具3的移动速度；R0为当前时刻位于所述加热部件4内光纤母材的原始外径；R3为光纤母材的延伸目标外径；V1为第一夹具2将光纤母材送入加入部件4的移动速度；(R0/R3)²*V1为依据等体积关系计算得到的第二夹具3的理论速度，其符合当前时刻光纤母材的原始外径R0的光纤母材的延伸，具有较高的延伸精度；K_P、T_I、T_D为预设的PID控制系数，其设定方法可选用目前通用的PID系数设定方法，这里不再赘述；E（t）为当前时刻锥体部特定位置的外径测量值R2和外径基准值R1的计算值（R2/R1-1）；

为应用PID控制公式计算的第二夹具3的速度修正幅度。

优选的，可以依据所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径，所述第一夹具2与所述加热部件4的相对位置，以及所述第一夹具2的移动距离确定所述加热部件4内的光纤母材的原始外径R0；

具体的，可以通过第二测径仪5预先对待延伸的光纤母材进行扫描，得到所述待延伸的光纤母材的各个位置处的原始外径；在本实施例中，加热部件4的安装位置是固定的，可以以加热部件4的加热温度曲线中的最高加热温度所对应的位置为原点（零点），第一夹具2上升的方向为正方向，构成一个纵向的长度坐标轴，第一夹具2与加热部件4之间的距离就是长度坐标轴上的数值，也就是第一夹具2在长度坐标轴上的坐标值。第一夹具2的移动距离就是其移动前后两个坐标值之差。而加热部件4内的光纤母材的原始外径R0的取值位置，可以以加热部件4的加热区域内的加热温度最高的位置作为加热部件4内光纤母材的原始外径R0的取值位置。下面详细阐述如何依据所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径，所述第一夹具2与所述加热部件4的相对位置，以及所述第一夹具2的移动距离确定所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0：

本申请实施例中，第二测径仪5是固定的，假设第二测径仪5在长度坐标轴上的坐标是1000mm，第一夹具2在长度坐标轴上的坐标为2000mm，那么当第一夹具2下降1000mm时，待延伸光纤母材7a随第一夹具2同时下降1000mm，那么，第二测径仪5扫描的光纤母材1000mm的位置处对应的原始外径即为当前时刻（第一夹具2下降1000mm的时刻）所述加热部件4内的光纤母材的原始外径R0；如果第一夹具2又下降50mm，那么，第二测径仪5扫描的光纤母材1050mm的位置处对应的原始外径即为当前时刻（第一夹具2下降1050mm的时刻）所述加热部件4内的光纤母材的原始外径R0；

通过加热部件4对待延伸光纤母材加热软化时，当光纤母材的温度（也就是加热部件4的最高加热温度）上升到第一预设温度时，PID控制器1控制第二夹具3夹紧下辅助尾棒10，所述第一预设温度的取值范围可以为1600℃~1700℃，在该温度范围内夹紧辅助尾棒10，以保证上辅助尾棒8和下辅助尾棒9与待延伸的光纤母材7a同轴。优选的，第一预设温度可以为1600℃，当然，并不限于1600℃，可以是第一预设温度的取值范围内的任意一个温度值；当光纤母材的温度达到第二预设温度时，PID控制器1开始控制第一夹具2以给定的速度V1匀速下降，同时，依据由所述特定位置处的外径基准值R1及所述特定位置处的实际外径值R2得出的值（R2/R1-1），应用公式（2）控制所述第二夹具的移动速度V2。

第二预设温度的取值范围可以为1900℃~2200℃，优选的，第二预设温度可以为2000℃，当然，并不限于2000℃，可以是第二预设温度的取值范围内的任意一个温度值。

本申请实施例提供的一种光纤母材延伸的控制方法，根据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3设定光纤母材的锥体部的特定位置的处的外径基准值R1，消除了由于原始外径、目标外径、延伸温度等条件的不同引起的延伸锥体部分的形状不同，而出现位于测径仪测径位置的锥体外径有波动进而导致锥体特定位置以下部分光纤母材得不到充分的延伸的缺陷，使得延伸后的光纤母材的外径达到预设尺寸，提高了玻璃母材的延伸精度。

下面以具体实例对本方案进行详细说明

假设要将直径为90±3mm的待延伸光纤母材7a延伸成直径为40mm的已延伸光纤母材7c；本实例中，K1=0.0008，K2=0.00848，K3=23.05；K_P＝6000，T_I=500，T_D=0；

将直径为90±3mm的待延伸光纤母材7a夹持在第一夹具2上，通过PID控制器1控制第一夹具2下降让第二测径仪5完成对待延伸光纤母材7a的扫描，第二测径仪5将扫描得到的待延伸光纤母材7a的原始外径数据传输给PID控制器1（PID控制器1可以显示出待延伸光纤母材7a的外径在“外径-长度”坐标系内的外径曲线（即光纤母材的长度与各个长度处光纤母材的外径的关系曲线），其中，可在外径曲线上读出延伸的起始点，其外径R_q=91.73mm，延伸的结束点的外径R_j=88.6mm,起始点与结束点之间的光纤母材的长度距离为720mm），PID控制器1控制第一夹具2下降，将外径曲线上起始点对应的待延伸光纤母材7a的位置送入加热部件4内。

当光纤母材的温度达到1600℃时，控制第二夹具3夹紧下辅助尾棒9，并开始由第一夹具2和第二夹具3带动光纤母材旋转（转速为10r/min）。当光纤母材的温度达到2000℃（可根据光纤母材软化和延伸经验设定）时，从待延伸光纤母材的延伸的起始点向延伸的结束点开始延伸。在延伸过程中，第一夹具2以6mm/min的移动速度将待延伸光纤母材7a送入加热部件4内，PID控制器1通过外径曲线可确定任意延伸时刻位于加热部件4内的光纤母材的原始外径，并通过公式（1）计算出当前时刻特定位置处的外径基准值R1，同时控制第一测径仪6测量当前锥体部特定位置的实际外径值R2，PID控制器1的PID模块按照公式（2）在自动延伸过程中控制第二夹具3的延伸速度V2；本实例中，第二夹具3的初始延伸速度V0为

V0=(R_q/R3)²*V1=(91.73/40)²*6=31.55mm/min。

当延伸达到延伸结束点之后，延伸进入收尾阶段，此时，PID控制器控制第一夹具2停止移动，并控制第二夹具3以速度V4继续对光纤母材进行延伸，第二夹具3再移动30mm之后，控制第二夹具3停止移动，完成整个延伸过程。

其中，V4=(R_j/R3)²*V1=(88.6/40)²*6=29.44mm/min

最后，等加热部件4冷却后，对延伸后的光纤母材7c进行外径测量，测得的外径为40±0.15mm，满足高精度延伸的要求。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (13)

1.一种光纤母材延伸的控制方法，包括：由第一夹具和第二夹具夹持光纤母材的两端，由加热部件加热软化光纤母材，当加热温度达到第一预设温度时，第二夹具夹紧所述光纤母材的下辅助尾棒，并在加热温度达到第二预设温度时，控制所述第一夹具和第二夹具沿光纤母材的长度方向移动，其中，第一夹具的速度比第二夹具的速度慢，对于处于延伸过程中的光纤母材的锥体部的特定位置，由第一测径仪测定所述特定位置处的实际外径值R2，依据由所述特定位置处的外径基准值R1及所述实际外径值R2得出的值（R2/R1-1），通过PID控制器控制所述第二夹具的移动速度V2，其特征在于，所述外径基准值R1依据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定。

2.根据权利要求1所述的光纤母材延伸的控制方法，其特征在于，所述外径基准值R1依据如下公式确定：

R1=K1*R0²+K²*R3²+K3

其中，K1、K2、K3为预设的系数。

3.根据权利要求1所述的光纤母材延伸的控制方法，其特征在于，所述锥体部的特定位置为所述锥体部的实际外径R2比所述延伸目标外径R3大1mm~4mm的位置。

4.根据权利要求1所述的光纤母材延伸的控制方法，其特征在于，所述第一预设温度控制在1600℃~1700℃。

5.根据权利要求4所述的光纤母材延伸的控制方法，其特征在于，所述第一预设温度为1600℃。

6.根据权利要求1所述的光纤母材延伸的控制方法，其特征在于，所述第二预设温度控制在1900℃~2200℃。

7.根据权利要求6所述的光纤母材延伸的控制方法，其特征在于，所述第二预设温度为2000℃。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述光纤母材进行加热软化之前还包括：

预先对待延伸光纤母材进行扫描，得到所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，依据下述方法确定所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0：

依据所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径，所述第一夹具与所述加热部件的相对位置，以及所述第一夹具的移动距离确定所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一夹具与所述加热部件的相对位置，以及所述第一夹具的移动距离通过如下方法确定：

以所述加热部件的加热温度曲线中的最高加热温度所对应的位置为原点，所述第一夹具上升的方向为正方向，构成一个纵向的长度坐标轴，所述第一夹具在长度坐标轴上的坐标值为所述第一夹具与所述加热部件的相对位置，所述第一夹具的移动距离为所述第一夹具移动前后两个坐标值之差。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PID控制器依据下式控制所述第二夹具的移动速度V2：

$V2={(R0/R3)}^2*V1+K_P*E\left(t\right)+\frac{1}{T_I}{\∫}_0^{t}E\left(u\right)d\left(u\right)+T_D\frac{\mathrm{dE}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

其中，V1为所述第一夹具的移动速度；E（t）为当前时刻锥体特定位置的实际外径值R2和外径基准值R1的计算值（R2/R1-1）；K_P、T_I、T_D为预设的PID控制系数。

12.一种光纤母材延伸装置，包括：第一夹具、第二夹具、加热部件、第一测径仪，所述第一夹具用于夹持光纤母材的上辅助尾棒；所述第二夹具用于夹持所述光纤母材的下辅助尾棒；所述加热部件用于对所述光纤母材进行加热软化；所述第一测径仪用于测量处于延伸过程中的光纤母材的锥体部的特定位置的实际外径值R2，其特征在于，还包括：PID控制器，所述PID控制器用于依据由所述特定位置处的外径基准值R1及所述实际外径值R2得出的值（R2/R1-1）控制所述第二夹具的移动速度，所述外径基准值R1依据当前时刻位于所述加热部件内的光纤母材的原始外径R0和延伸目标外径R3确定。

13.根据权利要求12所述的光纤母材延伸装置，其特征在于，还包括：

第二测径仪，用于对待延伸光纤母材进行扫描，得到所述待延伸光纤母材的各个位置处的原始外径。

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